陳自剛，何金枝

(南陽理工學院計算機與信息工程學院，河南南陽473004)

用于完整性認證的數(shù)字水印又可以分為完全脆弱水印和半脆弱水印。前者通常對像素值的每個可能改變非常敏感，能夠檢測出任何對圖像像素值的改變或對圖像完整性的破壞。半脆弱水印的脆弱性是有選擇的，它只對反映媒體內容特征的數(shù)據(jù)改變敏感。在實際應用中，往往需要數(shù)字水印能夠有效區(qū)分有意攻擊(如剪切、擦除)與無意攻擊(如壓縮)。因此半脆弱水印技術被廣泛研究和關注。半脆弱水印強調的是一種數(shù)據(jù)完整性和有效性的標注功能和對數(shù)據(jù)破壞和攻擊的定位分析能力［1-2］。

1 JPEG XR碼流結構

JPEG XR圖像的內部第一個通道是亮度通道，可以擁有多個色彩通道。一幅JPEG XR圖像在水平方向和垂直方向上可以含有1～4 096個分割塊，每個分割塊的高度和寬度都相同。分割塊是一個二維的相鄰宏塊的集合。每個宏塊是由4×4塊構成，每個宏塊是由4×4采樣點構成［3-5］。JPEG XR圖像的碼流結構有兩個基本模式［3-5］：空間模式和頻率模式，如圖1所示。碼流中都是先存放圖像頭信息，里面標識了此碼流所采取的碼流結構模式;之后是一張索引信息表，標識了每個分割塊的存放位置。兩種模式均以分割塊為單位。

圖1 JPEG XR的碼流結構

在空間模式中，每個分割塊的碼流按照宏塊順序輸出。

每個分割塊中的宏塊經兩層LBT(Lapped Biorthogonal Transform)［6］變換后構成頻率模式，每個分割塊中包含DC、低通系數(shù)、高通系數(shù)和彈性位4個包并安排在一起。JPEG XR編解碼算法［7］中定義了字段BANDS_PRESENT(4 bit)，用來表示碼流結構中頻率模式時不同的頻帶的存在情況，如表1所示。這樣的模式使得圖像能夠漸進式顯示。圖像的壓縮率高低的體現(xiàn)是低通系數(shù)、高通系數(shù)和彈性位是否存在或者存在比例。

表1 字段BANDS_PRESENT定義

2 基于JPEG XR的半脆弱數(shù)字水印嵌入

2.1 基于JPEG XR的半脆弱水印嵌入框架

JPEG XR圖像的頻率模式碼流結構是以分割塊為基本單位，使得實現(xiàn)基于圖像內容的半脆弱水印變得非常方便，不用對原JPEG XR圖像進行任何分割和處理?；贘PEG XR的半脆弱數(shù)字水印技術主要是為了圖像的穩(wěn)定性認證和內容認證。其嵌入過程主要包括提取和構造基于圖像內容的二值水印信息，水印信息置亂和嵌入水印等過程，如圖2所示。

圖2 半脆弱數(shù)字水印嵌入框圖

如果碼流結構是空間模式，需要將空間模式轉換為頻率模式。兩種碼流結構模式的轉換不需要緩存整幅圖像，而是以分割塊(TILE)為單位進行模式之間的轉換，且模式轉換需要的緩存很小。

2.2 基于圖像的二值水印

JPEG XR圖像的頻率模式碼流結構是以分割塊為基本單位。每個分割塊的DC系數(shù)和LP系數(shù)包含了圖像的主要能量信息，只需提取每個分割塊的DC系數(shù)和LP系數(shù)就能得到圖像的特征信息。即每16×16像素的宏塊在第一次變換時就能產生一個本宏塊內容的4×4像素的二值數(shù)字水印信息，對每個分割塊依次處理就能得到基于圖像內容的二值數(shù)字水印信息。但是，JPEG XR編解碼算法中允許子帶只保留DC系數(shù)(如表1所示)，故這里對DC系數(shù)和LP系數(shù)分開處理提取和構造圖像特征，以提高半脆弱數(shù)字水印的穩(wěn)定性，如圖3所示。

定義為

圖3 圖像特征提取

式中：i為圖像的第i個分割塊;j為第i個分割塊的第j個宏塊;k為第j個宏塊的在第一次LBT變換后的第k個LP系數(shù)。k=0時只考慮該分割塊的DC系數(shù);1≤k≤15，為第j個宏塊的在第一次LBT變換后的LP系數(shù)。另外：α為分割塊的DC系數(shù)閾值，α取每個分割塊的所有DC系數(shù)的平均值;β為分割塊的LP系數(shù)閾值，β取每個分割塊的所有LP系數(shù)的平均值。式(1)是基于DC系數(shù)提取的水印圖像，即為1/16×M×1/16×N的二值矩陣。式(2)是基于DC系數(shù)和LP系數(shù)提取的水印圖像，即為1/4×M×1/4×N的二值矩陣。它反映了圖像的所有宏塊內容的1/16信息。

2.3 二值水印置亂

設提取的二值數(shù)字水印圖像大小為M'×N'像素，像素坐標為(x，y)，且 x=0，1，2，…，M'-1;y=0，1，2，…，N'-1。用式(3)構成二維不等長圖像置亂變換實現(xiàn)(x，y)映射為(x'，y')［8］。

變換矩陣即可作為水印圖像置亂的密鑰。

2.4 二值水印的嵌入

盡管JPEG XR編解碼算法支持多種外部圖像格式，但JPEG XR只定義了6種內部圖像格式：Y、YUV4∶2∶0、YUV4∶2∶2、YUV4∶4∶4、n 通道和 YUVK。這些內部圖像格式都是用定點整數(shù)來表示［10-11］。且其變換過程采用兩級LBT變換。因此考慮如下操作：

1)將JPEG XR碼流解碼至色彩變換階段后，LBT變換前;

2)根據(jù)置亂的二值水印點的位置提取對應位置像素點;

3)提取該像素點的Y分量值;

4)將該像素點的Y分量值的最低有效位替換為水印點的二值;

5)按照JPEG XR編碼過程重新LBT變換，直到JPEG XR編碼碼流產生。

3 半脆弱數(shù)字水印提取與定位

在對JPEG XR圖像認證時，首先從JPEG XR圖像中提取數(shù)字水印信息，將提取的基于圖像內容的二值數(shù)字水印信息與該圖像相應位置的圖像轉換的二值圖像進行比較。如果兩者一致，則說明圖像未被篡改;如果兩者不一致，則說明圖像已被篡改，根據(jù)位置關系就能發(fā)現(xiàn)那個(些)宏塊或者塊被篡改，即對篡改處進行定位。如圖4所示。

圖4 半脆弱數(shù)字水印提取定位框圖

水印提取過程如下操作：

1)將JPEG XR碼流解碼至色彩變換階段后，LBT變換前;

2)提取對應位置像素點;

3)提取該像素點的Y分量值;

4)根據(jù)該像素點的Y分量值的最低有效位獲取水印點的二值;

5)反置亂后獲取嵌入在JPEG XR圖像中的水印;

6)和先前構造的水印進行比較，發(fā)現(xiàn)篡改并定位。

4 實驗結果與分析

實驗原始宿主圖像是256×256×8的亮度通道的Lena圖像，如圖5a所示。提取既有DC系數(shù)又有LP系數(shù)基于圖像內容的64×64的二值圖像為水印信息，如圖5b所示。把水印嵌入Lena圖像之后的Lena圖像，如圖5c所示。很顯然圖5a和5c的大小沒有任何變換。對含水印的Lena圖像加高斯噪聲(0.1)的圖像，如圖5d所示。對含水印的Lena圖像進行剪切，如圖5e所示。對含水印的Lena圖像進行剪切提取水印圖像中的64×64的二值水印信息，如圖5f所示。實驗中采用峰值信噪比(PSNR)來評價嵌入水印后圖像的質量，并用相關系數(shù)(NC)來評價提取出的水印圖像和原水印圖像的相似性。如表2所示。

表2 幾種攻擊方式下的實驗結果

目前支持JPEG XR的圖像顯示和處理軟件較少，PC機實驗中對JPEG XR圖像的顯示是利用安裝irfanview_plugins_433_setup.exe(其中包含有Hdp.dll)后的irfanview-v4.33-chinese-xbeta軟件完成的。

實驗結果表明基于JPEG XR的半脆弱性數(shù)字水印技術對常規(guī)圖像處理操作具有較強的穩(wěn)定性，同時對于圖像認證、篡改檢測等方面都具有較好的性能。

5 總結

基于JPEG XR的半脆弱性數(shù)字水印技術將水印信息嵌入到圖中對應像素點的Y分量的最低有效位，保證了所嵌入水印信息的不可見性，對常規(guī)圖像處理操作具有較強的穩(wěn)定性;同時對于惡意篡改攻擊等表現(xiàn)出一定的脆弱性，具有一定的檢測篡改的能力，可以定位到哪個塊被改變。該技術也是一種盲水印技術，實現(xiàn)無源提取。基于JPEG XR的半脆弱數(shù)字水印技術的研究，將有助于推動這一新圖像標準的推廣和應用。

［1］LIN C Y，CHANG S F.Semi-fragile watermarking for authenticating JPEG visual content［C］//Proc.SPIE Security and Watermarking of Multimedia Contents II：vol 3971.San Jose，USA：SPIE Press，2000：140-151.

［2］FRIDRICH J.Image watermarking for tamper detection［C］//Proc.the IEEE International Conference on Image Processing，1998：vol 2.Chicago，USA：IEEE Press，1998：404-408.

［3］ISO/IEC.JTC 1/SC 29/WG 1.ISO/IEC CD 29199-2：2010，JPEG XR image coding system-Part 2：Image coding specification［S］.2010.

［4］ISO/IEC.JTC 1/SC 29/WG 1.ISO/IEC CD 29199-2 cor.2，JPEG XR image coding system-Part 2：Image coding specification［S］.2011.

［5］ISO/IEC.JTC 1/SC 29/WG 1.ISO/IEC CD 29199-3：2010，JPEG XR image coding system-Part 3：Motion JPEG XR［S］.2010.

［6］MALVAR H S.Biorthogonal and nonuniform lapped transforms for transform coding with reduced blocking and ringing artifacts［J］.IEEE Trans.Signal Processing，1998，46(4)：1043-1053.

［7］ISO/IEC.JTC 1/SC 29/WG 1.ISO/IEC FCD 29199-5：2010，JPEG XR image coding system--Part 5：Reference software［S］.2010.

［8］邵利平，覃征，高洪江，等.二維非等長圖像置亂變換［J］.電子學報，2007，35(7)：1290-1294.

［9］李永逵，馮喬生，周粉，等.二維Arnold變換及非等長圖像置亂變換［J］. 計算機工程與設計，2009，30(13)：3133-3135.

［10］陳自剛，朱海華.JPEG XR在S3C2410A上的實現(xiàn)與優(yōu)化［J］.電視技術，2012，36(13)：16-18.

［11］吳靜龍.JPEG XR碼流控制算法的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2010.